Проверка закона сохранения энергии.

Цель работы:

· Знакомство с применением физических моделей- консервативная и диссипативная механическая система

· Экспериментальная проверка закона сохранения механической энергии в консервативных и диссипативных системах.

Краткая теория:

Количественной мерой различных видов движения и взаимодействия материи является энергия.

Мерой передачи энергии от одного тела другому в процессе работы является физическая величина, называемая работой силы.

Кинетической называется энергия, связанная с механическим движением системы .

Потенциальной называется энергия, характеризующаяся взаимных расположением тел или частей одного и того же тела и характером сил, действующих между ними.

Потенциальная энергия тела, поднятого над Землей определяется формулой:

, где константа С определяется начальными условиями, т.е. выбором нулевого уровня.

Консервативными называются силы, работа которых не зависит от формы траектории и по замкнутой траектории равна нулю (сила тяжести, сила упругости).

Диссипативными называются силы, работа которых зависит от формы траектории и по замкнутой траектории не равна нулю (сила трения, сила сопротивления).

В замкнутой системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется.

В замкнутой системе тел, между которыми действуют диссипативные силы, изменение механической энергии равно работе сил трения.

Порядок измерений:

1. Откройте в разделе « Механика» работу « Движение по наклонной плоскости».

2. Установите значения массы тела, угол наклона плоскости, внешней силы и коэффициента трения

3. Снимите метку « тело закреплено» и одновременно включите секундомер. Выключите секундомер в момент, когда тело остановится в конце наклонной плоскости.

4. Выполните эксперимент 10 раз, записывая значения секундомера с точностью до сотых.

№	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	Среднее значение
t,с
V,м/с
S,м
W_k_,
Wp,Дж
A_тр,Дж
A_вн,Дж
W_полн,Дж

5. Вычислите по формуле скорость тела.

6. Вычислите по формуле длину наклонной плоскости.

7. Вычислите по формуле кинетическую энергию в конце наклонной плоскости.

8. Вычислите по формуле потенциальную энергию в верхней точке наклонной плоскости.

9. Вычислите по формуле работу силы трения на участке спуска.

10. Вычислите по формуле работу внешней силы на участке спуска.

11. Вычислите средние значения этих параметров и запишите их в столбец « средние значения».

12. Выполните проверку закона сохранения энергии при наличие в механической системе диссипативных сил

13. Сделайте вывод по проделанной работе.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Вопросы для самоконтроля:

1. Что называется кинетической энергией? По какой формуле она рассчитывается?

2. Что называется потенциальной энергией? Формула потенциальной энергии.

3. Что называется нулевым уровнем потенциальной энергии? Как он определяется? Может ли потенциальная энергия быть меньше нуля.

4. В чем состоит понятие работы? Энергии?

5. Какие силы называются консервативными? Приведите примеры.

6. Какие силы называются диссипативными? Приведите примеры.

7. Какая система тел называется замкнутой?

8. В чем заключается закон сохранения механической энергии в системе, где действуют только консервативные силы?

9. В чем заключается закон сохранения механической энергии в системе, где действуют диссипативные силы?

10. Проанализируйте превращения энергии при движении тела на американских горках.

11. Что называется потенциальными кривыми?

Лабораторная работа № 4

Адиабатический процесс.

Цель работы:

· Знакомство с компьютерной моделью, описывающей адиабатический процесс;

· Экспериментальное подтверждение закономерностей адиабатического процесса;

· Экспериментальное определение показателя адиабаты, количества степеней свободы и структуры молекул газа в данной модели.

Краткая теория:

Основные положения молекулярно- кинетической теории:

· Все тела состоят из молекул, разделенных промежутками

· Между молекулами существуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания

· Молекулы находятся в постоянном хаотичном движении, скорость которого зависит от температуры.

Параметры, характеризующие систему в целом, называютсяпараметрами состояния . К параметрам состояния относятся температура, давление, объем.

Равновесным состоянием называется состояние системы, остающееся неизменным сколь угодно долго при неизменных внешних условиях.

Идеальный газ- газ, молекулы которого представляют собой материальные точки, между которыми отсутствует взаимодействие, а столкновения между молекулами и стенками сосуда абсолютно упругие.

Изопроцессом называется процесс, происходящий при одном фиксированном макроскопическом параметре. К изопроцессам относятся: изотермический, изобарный, изохорный процесс.

Уравнение Клапейрона_ Менделеева (уравнение состояния идеального газа)

Основное уравнение Молекулярно- кинетической теории:

Степени свободы это число независимых координат, полностью описывающие положение молекулы в пространстве.

Адиабатический процесс – это процесс, происходящий при отсутствии теплообмена с окружающей средой. К адиабатическим относятся все быстро протекающие процессы.

Порядок измерений:

1. Откройте в разделе « Термодинамика и молекулярная физика» работу «Адиабатический процесс».

2. Установите значение температуры, равное Т= К.

3. Установите значение объема V= 40

4. Работая в режиме « стробоскопа», запишите в таблицу значения температуры и давления при значениях объемов: 15, 20, 25, 30, 35, 40

5. Вычислите и запишите в таблицу значения ln p и .

V,	15	20	25	30	35	40
T,К
P,кПа

ln p

6. Измените значение температуры на Т= К, повторите измерения, занося данные в

V,	15	20	25	30	35	40
T,К
P,кПа

ln p

7. По данным таблиц постройте на одном листе график зависимости логарифма давления (ось Y) от логарифма объема ( ось X).

8. По графику определите коэффициент Пуассона . Воспользуйтесь формулой:

9. Определите число степеней свободы молекулы газа, структура которого близка к наблюдаемой:

9. =

10. Сделайте вывод о структуре молекулы газа, исследуемого в данном опыте.

Вопросы для самоконтроля.

1. Что называется параметрами состояния?

2. Какой газ называется идеальным?

3. Что называется изотермическим процессом? Напишите его формулу.

4. Что называется изобарным процессом? Напишите его формулу.

5. Что называется изохорным процессом? Напишите его формулу.

6. Какой процесс называется адиабатным? Приведите примеры.

7. Уравнение Пуассона. Коэффициент Пуассона.

8. Напишите формулу удельной теплоемкости при постоянном давлении.

9. Напишите формулу удельной теплоемкости при постоянном объеме.

10. Напишите формулу уравнения Клапейрона –Менделеева.

11. Что называется внутренней энергией? Как она определяется?

12. Как находится работа идеального газа?

13. Что называется степенями свободы?

Лабораторная работа № 5

Распределение Максвелла.

Цель работы:

· Знакомство с компьютерной моделью, описывающей поведение молекул идеального газа.

· Экспериментальное подтверждение распределения Максвелла молекул идеального газа по скоростям.

· Экспериментальное определение массы молекул в данной модели.

Краткая теория:

Вероятностью получения некоторого результата измерения называется предел отношения количества измерений, давших этот результат, к полному числу измерений, когда оно стремится к бесконечности.

-функция распределения молекул газа по скоростям. Функция показывает число молекул, скорости которых лежат в единичном интервале. Аналитически эту функцию определил Максвелл:

Средняя скорость

Средняя квадратичная скорость

Вероятнейшая скорость

Функция распределения Максвелла дает следующую информацию о газе:

· Максимум функции зависит от температуры.

· С повышением температуры скорость химических реакций возрастает, при этом возрастает и число молекул, обладающих большими скоростями.

· Распределение Максвелла равновесно, т.е. в естественных условиях сохраняется сколь угодно долго.

· В равновесном состоянии каждой температуре соответствует своя функция распределения, и наоборот: каждому распределению соответствует своя температура.

Порядок измерений:

1. Откройте в разделе «Молекулярная физика и термодинамика» работу «Распределение Максвелла».

2. Установите температуру К для вашей бригады. Запишите значение наивероятнейшей скорости, соответствующей этой температуре.

3. Установите минимальную скорость, указанную в таблице. Нажмите на «паузу» и подсчитайте на мгновенной фотографии количество молекул , скорости которых лежат в этом диапазоне скоростей (они выделены зеленым цветом). Результат занесите в таблицу.

4. Нажмите кнопку «пуск» и через 10-20 секунд получите еще одну мгновенную фотографию.

5. Подсчитайте число молекул с заданной скоростью. Занесите в таблицу. Повторите измерения 5 раз.

0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3.5

6. Изменяя скорость на значения, указанные в таблице, запишите количество молекул с заданными скоростями. Заполните всю таблицу.

7. Найдите средние значения

8. Установите второе значение температуры Т= К.

9. Выполните экспериментальное задание аналогично предыдущему, занося результаты в таблицу.

0,5	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	3.5

10. Постройте на одном рисунке графики зависимости . Используйте значение вероятнейшей скорости, данное в работе. Можно воспользоваться графиком с экрана компьютера.

11. Для каждой температуры определите экспериментальное значение наивероятнейшей скорости.

м/с, м/с

12. Постройте график зависимости квадрата наивероятнейшей скорости от температуры.

13. По данному графику определите значение массы молекулы, используя формулу:

12. Подберите газ, масса молекулы которого достаточно близка к измеренной массе газа:

газ	водород	гелий	неон	азот	кислород
Масса молекулы, кг	3.32	6.64	33.2	46.5	53.12

13. Запишите ответ и проанализируйте графики. _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Вопросы для самоконтроля

1. Что называется вероятностью состояния?

2. Как находится средняя скорость?

3. Как находится средняя квадратичная скорость?

4. Как находится вероятнейшая скорость?

5. В чем смысл распределения Максвелла?

6. Формула Больцмана.

7. Барометрическая формула.

Лабораторная работа № 6

Цикл Карно.

Цель работы:

· Знакомство с компьютерной моделью, иллюстрирующей цикл Карно в идеальном газе.

· Экспериментальное определение работы, совершенной газом за цикл.

· Экспериментальная проверка теоремы Карно.

Краткая теория:

Обратимыми называются процесс, который возвращает системы в первоначальное состояние через все промежуточные состояния и не вызывает при этом изменений в окружающих телах.

Циклом Карно называется круговой процесс, состоящий из двух изотермических процессов и двух адиабатических процессов.

Рабочим телом называется термодинамическая система, предназначенная для преобразования теплоты в работу .

Нагревателем называется устройство, сообщающее рассматриваемой термодинамической системе энергию в виде тепла.

Холодильником называется система, поглощающая часть тепла рабочего тела.

Теорема Карно: КПД всех обратимых машин, работающих по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат с одним и тем же нагревателем и холодильником, равны между собой и не зависят от рабочего вещества и конструкции машин, совершающих цикл.

Энтропия может рассматриваться как мера неупорядоченности системы.

Принцип возрастания энтропии – все процессы в замкнутой системе идут от менее вероятных состояний к более вероятным до тех пор, пока вероятность состояния не станет максимальной.

Порядок измерений:

1. Откройте в разделе « Молекулярная физика» программу « Цикл Карно».

2. Установите температуру = К нагревателя и = К холодильника для вашей бригады, перемещая маркер мыши на кнопках регуляторов термометров.

3. Нажмите кнопку «старт» и наблюдайте перемещение точки по замкнутой кривой цикла Карно.

4. Параметр, обозначенный в таблице индексом 1 соответствует точке перехода изотермического расширения в адиабатическое. Занесите это значение объема в таблицу.